植物诱导抗病信号传导途径

余朝阁　李天来　杜妍妍　周　娣　魏　爽

摘要：植物抗病性可被多种因素所诱导，诱导的抗病信号传导是抗病性诱导的机制所在。文章论述了植物诱导抗病性的种类、产生过程和两条重要的抗病信号传导途径，并着重对两条途径进行分析和比较。

关键词：植物；诱导抗病性；信号传导途径；诱导机制

中图分类号：S 432．23

植物作为真菌、细菌、病毒、线虫等病原微生物的营养来源和栖息场所，必然不断遭受它们的侵染和胁迫。植物在与这些病原物长期斗争、协同进化过程中，也逐渐积累而形成一系列复杂的防卫机制。但有些防卫过程在植物正常生长发育过程中并不表现出来，常常需要外界刺激才能快速、充分表达，即产生诱导抗病性。

1植物诱导抗病性种类

诱导抗性是植物受病原物侵染或其他物理的、化学的或生物的方法处理后，对随后某种或某些病原物的侵染所产生的抗性。根据不同标准可分为不同类型。按抗病因素的性质可分为诱导的物理抗病性和诱导的化学抗病性。诱导的物理抗病性是指外界刺激引起植物亚细胞、细胞或组织水平的形态结构发生改变，这种变化可能将病原物局限于细胞壁、单个细胞或局部组织中，从而阻遏其进一步侵入和扩展。诱导处理引起的植物细胞壁木质化、木栓化、乳突的形成和钙离子沉积等均属于诱导的物理抗病性范畴。诱导的化学抗病性是指外界刺激引起植物正常生理代谢发生改变，产生抑菌或解毒物质，从而阻遏病原物扩展或危害。诱导的化学抗病性产生机制错综复杂。酚类、萜类和类黄酮等次生物质代谢的变化是诱导化学抗病性的基础；防御反应酶(PAL、POD、PPO、SOD和LOX等)和病程相关蛋白(几丁质酶和β-1，3-葡聚糖酶等)是提高植物抗病性的生物催化剂；植物保卫素的积累增强了抑菌和对毒素的降解作用。

另外，根据抗病性发生部位的不同还可将诱导抗病性分为局部抗性和系统性获得抗性(SAR)：局部抗性是在诱导部位或侵染点发生的局部、快速的过敏性坏死反应(hypersensitive response，HR)；SAR是植物在受病菌侵染或诱抗剂处理后，未被侵染或处理的部位也对随后的挑战接种所产生的抗性。

2植物诱导抗病性产生过程

植物产生抗病性过程中先后有抗病基因和防卫反应基因起作用。植物抗病基因产物与病原物无毒基因产物相互识别产生信号分子，这种信号通过一系列的传递因子或调控因子传导，引起植物的防卫反应基因表达，使植物在形态和生理上发生一系列变化，从而抑制病原物的侵入或扩展而表现为抗病性。

植物抗病性诱导过程可分为3个阶段：一是诱导处理，诱抗因子既可以是病原物、生物代谢产物、也可以是无机物或有机化合物；二是诱导的抗病信号传递和转导，即抗病信号传递到未被诱导处理的相邻的细胞、组织甚至全株，使该部位也处于敏感状态；三是病原物侵染和诱导抗病性表达，处于敏感状态的植物细胞一旦感受到挑战接种的刺激信号，将迅速启动植物防卫反应基因活化或增强已经活化防卫基因表达，产生强烈的非特异性防卫反应，从而使植物表现出更强的抗病性。

在植物抗病性诱导过程中，抗病信号的传递和转导是植物产生诱导抗病性的关键和内在机制所在。抗病信号的传导又可分为4个阶段：(1)植物诱导部位细胞质膜上的受体与诱导的信号分子专化性识别和互作而为植物所感受，并产生刺激信号如产生跨膜粒子流和活性氧暴发。(2)胞间信号传递，即刺激信号在植物细胞间传递，传递到未被侵染细胞、组织或器官。(3)膜上信号转换，即非诱导部位细胞质膜上的受体与传递而来的信号特异性结合，通过跨膜离子流的改变将胞间信号转换为胞内信号如NO和活性氧中间体ROIs信号。(4)胞内信号转导，即转换而来的胞内信号通过某种或某些信号途径和一系列复杂信号转导过程启动相应的防卫反应基因。这种抗病信号转导过程具有正反馈效应而将信号级联放大，持续对下游信号发生影响，从而持续激活防卫反应基因活化和特异性或非特异性的表达，使植物在形态和生理上向着阻遏病原物侵染和抑制其扩展的方向变化。最终使植物表现为对病原物的抗病性。

3诱导的抗病信号传导途径

不同诱导因素引起的信号传导途径有可能相同，同一诱导因素在不同条件下引起的信号传导途径也可能不同。植物的抗病信号传导途径既有专一性，也存在着复杂的广谱性、多样性甚至交叉性的特点，植物抗病信号的协同交叉起作用形成了复杂的信号传导网络。在抗病信号传导途径中，sA途径和JA途径是研究较为深入的两条信号途径。

3．1 SA介导的抗病信号传导途径

SA是植物产生SAR的重要诱导因子，SA途径是极其重要的抗病信号传导途径。研究发现，多数植物受病原物侵染后，SA含量成倍增加；而外源SA也诱导植物对病原物的抗性增强，产生sAR。在转NahG(salicylate hdroxylase)基因的植物中，病菌侵染不能激活PR-1基因表达，也不诱导产生SAR，转基因植株抗病性明显低于其野生株(WT)。这些现象说明，SA是植物抗病信号转导和SAR形成过程中必不可少的信号分子。

SA从作用部位到效应部位，必须与其靶细胞上受体结合而形成SA-受体复合物，该复合物将信息传递至胞内第二信使，第二信使经复杂的胞内信号转导进而引起各种生理效应。Chen等从烟草叶片中分离出一种可溶性的SA受体蛋白(SABP)，该蛋白具有过氧化氢酶(CAT)活性而催化H₂O₂分解为H₂O₂和O₂；当其与SA结合后，则失去这种催化功能，使植物体内H₂O₂积累。进一步研究表明，SA可能作为电子供体为CAT提供一个电子，使其处于相对不活跃状态，而SA则转变为SA·并引起自由基链反应。H₂O₂和其他活性氧(ROS)一样具多种功能：第一、它对多种病原物具直接的抑制作用；第二、促进细胞壁木质化和某些结构蛋白发生交联，从而诱导植物结构抗性的增强；第三、使植物侵染点周围细胞发生HR，将病原物限定在受侵染部位，从而产生局部抗病性；第四、H₂O₂能够触发促分裂原活化蛋白激酶(MAPK)，引起抗病信号级联放大，激活植物防卫基因表达和抗生代谓物质的产生，从而形成SAR；第五、H₂O₂还具有活化PAL和BA2H(苯甲酸羟化酶)的作用，而PAL和BA2H是SA合成过程中的关键酶，这两种酶的活性增强则进一步促进植物内源SA的合成。由此可见，SA与其受体结合导致H₂O₂积累，H₂O₂一方

面直接诱导植物产生抗病性，一方面进一步增加植物体内的SA合成，SA正是通过这种正反馈作用而持续激活下游防卫反应的。

NP尉基因是SA途径的关键基因，该基因过量表达，能够激活植物的多种抗病相关基因，提高抗病性。SA的积累使细胞内还原势增加，NPR1寡聚体中的半胱氨酸残基分子间二硫键被水解还原，形成NPR1单体，NPR1单体具完整的核定位序列，使其能够转移到细胞核内并与结合在PR-1基因启动子区的TGA类转录因子相互作用，调控PR基因的表达和sAR产生。拟南芥NPR1突变体对诱导植物产生SAR的生物或化学激活剂不敏感，不表达PR基因，不表现抗病性，但体内仍积累与野生型植株等量的SA，说明NPR1基因位于SA信号途径下游，而在PR基因表达的上游。

3．2茉莉酸和乙烯介导的抗病信号传导途径

茉莉酸和乙烯(JA／ET)途径是植物的另一条重要的抗病信号传导途径，植物防御素(PDF1.2)是该途径的标志性产物。拟南芥下部叶片接种Alterna-ria brassicicola后，接种叶片及非接种叶片中JA和ET的含量均升高，且积累PDF1.2，并对A.bras-sicicola产生抗性；外源JA或ET处理，也均诱导拟南芥PDF1.2基因的转录和翻译水平的提高，植株积累PDF1.2并产生SAR；而拟南芥的ET不敏感突变体ein2与JA不敏感突变体jarl和coil，均不被诱导表达PDF1.2基因，也不能产生SAR。所以，JA和ET也被认为是参与抗性信号传导、诱导植物产生SAR的第二信使。用JA和ET处理可降解SA的转基因拟南芥，仍然诱导SAR的产生，且SA并不诱导PDF1.2基因的表达，说明JA／ET介导的抗病信号转导不依赖于SA途径。

一般认为，JA及其甲酯(MeJA)是植物体内包括细胞内和植株间可移动的信号分子，但由于目前还没分离鉴定出茉莉酸类受体，其诱导的植物抗病信号转导途径还不完全清楚。通过对拟南芥JA不敏感突变体coil的研究发现，Coll基因编码一种富含LRR重复序列和具F-box基序的蛋白，这种蛋白可能与感应JA信号的负调控因子(Skpl和cullin等)结合而形成一个E3泛素连接酶复合体(SCF^coll)，该复合体可被泛素的酶解系统来识别并选择性降解负调控因子，即泛素通过降解SCF^coll中的抑制因子而使JA信号正常转导。ET受体家族位于内质网膜上，目前已从拟南芥和番茄中分离到多种ET受体。典型的ET受体由N端的ET结合区、紧随其后的GAF区和C末端的His蛋白激酶区构成。研究发现，ET受体是ET反应中的负调节子：受体处于开启状态，抑制ET反应；而受体关闭时，则诱导乙烯反应。

JA和ET以独立的相互平行的方式诱导植物PDF1.2基因表达，且二者具有协同作用，共同处理比任何一种单独处理所诱导的PDF1.2基因转录水平高。植物防御素作用靶位在病原物原生质膜上，真菌原生质膜外层主要为鞘脂和固醇，而鞘脂和固醇是脂筏(1ipid raft，一种质膜微区结构)的主要成分，脂筏含有许多与信号转导有关的受体蛋白。植物防御素正是与真菌质膜外层脂筏上受体相互作用，导致质膜选择透性破坏，Ca²⁺流入和K⁺输出，原生质体外泄和电化学势丧失，从而使病菌侵染性丧失而达到抗病作用。所以，植物防御素的抑菌作用主要在于其介导的离子拮抗型的膜穿透引起的。

3．3两条抗病信号传导途径的关系

SA途径和JA／ET途径不是孤立的，两者既有所区别，也有联系。一般认为，SA主要介导植物对专性寄生病原物的抗性，而JA／ET主要介导对兼性寄生病原物的抗性。转NahG基因的拟南芥对专性寄生菌抗性降低，对兼性寄生菌则没有影响；而拟南芥coil突变株对兼性寄生菌抗性减弱，对专性寄生菌的抗性却未发生改变。但事实并非完全如此，E.A.Achuo等发现，转NahG基因的番茄对死体营养真菌Botrytis cinerea的感病性增强，但不改变其对专性寄生菌Odium neolyco persici的感病性；而转NahG基因的烟草对O.neolycopersici的感病性增强，却不改变其对B.cinerea的感病性。所以他们认为，植物以何种途径介导对病原物抗性，取决于“寄主一病原物”互作体系具体情况，互作体系不同，其抗病防卫反应特点也可能不同。

SA途径和JA／ET途径之间还存在着密切联系，两者相互抑制或增强。SA主要诱导酸性PR蛋白，JA／ET主要诱导碱性PR蛋白；在成熟的烟草叶片中，所有碱性PR蛋白都被SA抑制，而所有酸性PR蛋白都被JA抑制；这说明SA途径和JA途径之间存在拈抗作用。但是，番茄被细菌性斑点病菌(Pseudomonas syringae)侵染后，不仅抗病性提高，抗虫性也增强；而昆虫的取食同样诱导番茄的抗病性。这说明SA途径和JA／ET途径之间还可能协同表达。

SA途径和JA／ET途径之间的对话，是通过信号转导网络中的“节点”基因实现的。NPR1基因是研究较深入的“节点”基因之一。SA能够有效抑制野生型拟南芥中JA信号途径，但不抑制其npr1突变体中MeJA诱导的基因表达，说明SA对JA的抑制作用需要NPR1参与。但与前述NPR1单体在细胞核内对SA途径正向调控不同，NPR1对SA和JA信号传导途径之间的协调发生在还在细胞质中，目前还不清楚它是以单体还是寡聚体形式对两条信号途径进行调节的。另外，Li Jing等人研究发现，转录因子WRKY70对SA和JA两条抗病途径之间也有着重要的调节作用，而且这种作用产生于NPR1基因下游。

4展望

随着分子生物学和基因工程技术的发展，关键的信号分子受体和防卫反应基因将逐渐被鉴定和克隆，人们就会更加正确和清晰地认识到植物诱导抗病信号的传导途径及不同抗病信号途径之间的内在联系。明确诱导抗病信号传导的过程和途径，人们就可以进一步研制开发出高效持久、经济实用的新型诱抗剂，从而有针对性地对其中关键反应部位进行合理调控，使植物既能适宜和有效地发挥抗病性，而又不损害其正常生长。那时，充分利用诱导抗病性必将成为植物病害可持续治理的一项重要内容。